道中华丨你知道吗?这个常见小物件竟是两千年前的“神器”!

来源: 道中华 |发布时间:2024-09-30 12:12

  大家好,我是一枚齿轮,我虽然小,但却是机械中的一个重要零件哦。不管是高精尖的航空航天工程,还是儿童玩具汽车,我都无处不在。我不仅是现代机械领域的常驻“成员”,还是探索中国古代科技发展的神奇“钥匙”。

  公元前3世纪末,我便悄然出现,并以陶范(陶制范模、印模)的身份刻入历史的进程中。上世纪50年代,四套不同规格的齿轮陶范在山西省重见天日,年代为公元前600年,至今已经最少有2400年了。这一重大发现,更新了世界齿轮起源的历史,不仅是对我们齿轮家族古老身份的确认,更是对中国古代科技智慧的一次崇高致敬。

▲出土于山西省侯马东周晋国铸铜遗址的青铜齿轮陶范

  成就农业济世之术

  在古代,农民耕作极为辛苦,但是齿轮出现,简化了农耕方式,极大地减轻了农耕的繁重,降低了生产成本,推动了农业生产力的发展。

  随着农耕文明的进步与成熟,齿轮参与构建的农具数量迅速增长,齿轮技术也得到了显著提升。其中,龙骨水车和水转连磨就是齿轮技术应用的杰出代表。

  “翻车”是一种能用于农业灌溉、排水等的工具,唐宋时期便已经得到普遍应用。南宋陆游在《春晚即景》中说“龙骨车鸣水入塘,雨来犹可望丰穰”,说的就是通过齿轮的传动,将水流的动能转化为水车灌溉的动能,从而实现农田的自动灌溉。

▲《天工开物》中描绘的“拔车”,是一种靠人力操作的小型翻车。(图片来源:中国机械工程数字博物馆官网)

  翻车又被称为龙骨水车,据宋应星《天工开物》记载,采用龙骨水车后,一个人工作一天,可以灌溉田地五亩,而用牛则能加倍。

  由于龙骨水车在古代中国科技发展和农业耕作中的卓越贡献,2016年被中国科学院推选为“中国古代重要科技发明创造”之一。

▲《王祯农书》中的水转连磨样式(图片来源:《农书译注》下册)

  水转连磨是一种自动研磨谷物的加工工具,有着高品质高效率的特点。它的主要构件是一个水轮和九个石磨。这种水转连磨可以带动九磨,功能丰富且实用,稍加改装后就能带动重量极大的物体,如高转筒车等。据《王祯农书》记载,如果使用水转连磨,一天磨好的谷食,可供给一千家。“诚济世之奇术也。”

  相比于手动灌溉耗时长、人力消耗大,齿轮的多齿槽使得水转连磨能在齿轮运作中不间断进行灌溉,具有高速率、高效率和高功率的特点。水转连磨的发明与普及减轻了农民的负担,极大提高了农业生产的整体效率,推动了农业文明的发展进程。

  万转不离其“南”

  作为一项历史悠久的发明,齿轮更是在中国古代科技发展中大展拳脚。指南车便是其中一个独特的代表,也是我国古代工程发明史上浓墨重彩的一笔,被评价为“世界上第一个自适应系统”。

  指南车是用于指示方向的车,只要在车开始运动时将车上木人手指向南方,便能“车虽回运而手常指南”。指南车虽然与指南针功能相同,但是原理迥然不同。指南车通过运用车轮、滑轮、各种齿轮和绳索等,利用机械原理指示方向,而指南针则依据地磁场指示方向。

  虽然指南车自诞生后历朝历代被多次仿制或重新制作,但其核心原理几乎都利用差动齿轮(通过允许左右轮以不同的速度旋转,以保持车辆的平衡和控制)装置。

▲北宋指南车模型(图片来源:中国科学院官网)

  《宋史》中有对指南车内部结构的详细描述。上层有十三个齿轮的排列,因各轮的齿数相同,所以四位童子、龟与鹤的转动同木仙人一致。

▲北宋吴德仁指南车上层齿轮系排列图(图片来源:刘仙洲《中国古代对于齿轮系的高度应用》)

  当车直线行驶时,木仙人下面的大齿轮与左右两个小平轮脱离,使得木仙人不受轮转动的影响;当车向左或向右转弯时,差动齿轮根据车轮转速差异传递运动,离合装置则控制木仙人指向轴的转动方向和幅度,确保无论车辆如何移动,木仙人的手臂都能准确地指向预设的南方。   

  齿轮系在指南车不同行使情况下调整内部结构,为指南车的指路木人的指向提供反向补偿的动力,体现了古代机械家的智慧与科技发展的水平,为后代的科技创新提供了十分有意义的参考。

  观测星空的力量

  齿轮在古代天文学中扮演了至关重要的角色,它是观测工具的重要组成部分,成为连接人类与星空的纽带。自汉代以来,天象的记录和测量精度达到了极高的水准,其观测结果与现代实测数据相去不远。齿轮在推动古代天文学发展中作出了显著的贡献。东汉张衡研究的世界第一架用水力推动的“浑天仪”中,齿轮便是其中的重要元件。

▲北京颐和园长廊彩画:张衡与浑天仪(图片来源:视觉中国)

▲南京钟山风景名胜区紫金山浑天仪(图片来源:视觉中国)

  张衡的浑天仪构造十分精巧,它通过水轮的驱动,使得代表天象的浑象每天自转一周,模拟了天体的自运动;并以此间接带动另一个轴完成一月一转,通过蓂荚每天的变化来记录当月的日期。

  蓂荚,中国古代传说中能随着月亮的盈亏而生长和落叶的一种植物。在张衡的浑天仪中,蓂荚被设计为一种机械装置,通过滴水推动模拟月亮的周期变化,用以表示月相和日期,相当于一个自动的月历。

  机械学家和教育家刘仙洲教授深入分析了浑天仪中的齿轮系统,发现其在控制浑象的日转和蓂荚的升降中发挥了关键作用。浑象每日一转,通过精心设计的齿轮比例,确保齿轮系中的相应齿轮的转数等于浑象的转数。同时,利用漏壶对水力进行微调,进一步确保了浑象的准确日转。

  浑天仪的齿轮通过精密的传动,不仅提升了计时的准确性,也为古代天文学家提供了观测天体的有力工具,深化了人们对宇宙运行规律的理解。它的出现,展现了中国古代天文学发展的卓越成就。

  小小齿轮润滑无声地运转在时代的长河中,催生了无数科技革新。在农业、科技和天文等众多领域,齿轮的应用广泛而深远,它们不仅为古代社会的发展提供了坚实的技术支撑,也为人类文明的进步作出了不可磨灭的贡献。    

  (作者单位:中央民族大学信息工程学院)

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